Pourquoi la résistance à la traction du renforcement de la fibre de verre est-elle beaucoup plus élevée que celle du renforcement de l'acier, mais le module élastique est plus bas? Quel est son mécanisme mécanique?

La résistance à la traction de l'armature en fibre de verre est beaucoup plus élevée que celle de l'armature en acier, mais son module élastique est plus faible, ce qui est dû aux différences essentielles dans sa composition de matériau, sa microstructure et son mécanisme mécanique. Vous trouverez ci-dessous une analyse détaillée du point de vue des principes scientifiques:

1 、 Le mécanisme central de la différence de résistance à la traction

Armature en fibre de verre: liaisons covalentes et mécanisme de renforcement des fibres

Base du matériau: Le renforcement des fibres de verre est en fibre de verre comme phase de renforcement (représentant 60% à 70% en volume), et son composant central est une structure de réseau de silice (Sio ₂), qui forme un réseau à haute résistance à travers des liaisons covalentes.

Source de la force:

L'énergie de fracture de la fibre de verre: l'énergie de fracture de la fibre de verre est aussi élevée que 7,0-9,5 kJ / m ², dépassant de loin l'énergie de fracture des liaisons métalliques dans les barres d'acier (environ 2,5 à 4,0 kJ / m ²).

Optimisation de la disposition des fibres: les fibres sont disposées de manière ordonnée le long de la direction axiale, et la charge est transmise efficacement aux fibres à travers la matrice de résine, atteignant un port de contrainte concentré le long de la direction des fibres.

Comparaison des données: La résistance à la traction de l'armature en fibre de verre peut atteindre 500-900 MPa, tandis que celle de l'armature en acier ordinaire (HRB400) est de 400-600 MPa, et le renforcement en acier à haute résistance (HRB600) n'est que de 600-750 MPa.

Mécanisme de renforcement des liaisons métalliques et de la dislocation

Fondation des matériaux: Les barres en acier sont en alliage de carbone de fer, qui est formé en une structure de perlite de ferrite à travers des procédés de roulement chaud ou de dessin à froid. La nature non directionnelle des liaisons métalliques leur confère une capacité de charge uniforme en trois dimensions.

Source de la force:

Résistance au mouvement de dislocation: Solution solide de l'atome de carbone Renforcement et la structure lamellaire des perlites entrave le glissement de dislocation, mais l'énergie de fracture des liaisons métalliques limite la limite supérieure de leur résistance théorique.

Contribution de la déformation plastique: l'allongement à la rupture des barres d'acier peut atteindre 15% à 25%. Pendant le stade de déformation plastique, l'énergie est absorbée par la propagation de la dislocation, mais une certaine résistance théorique est sacrifiée.

2 、 Le mécanisme central de la différence de module élastique

Renforcement en fibre de verre: matrice de résine et effet d'interface

Limitation du module matriciel: Le module élastique de la matrice de résine (comme la résine époxy) n'est que de 3 à 5 GPa, bien inférieur au 200 GPa d'armature en acier.

Faiblesse de la liaison de l'interface: La résistance à la liaison d'interface entre la fibre de verre et la résine (généralement <10 MPa) est beaucoup plus faible que la résistance de liaison entre la ferrite et les perlites dans les barres d'acier, et elle est sujette à un dégradation de l'interface ou à la fissuration matricielle sous contrainte.

Caractéristiques fragiles: La courbe contrainte-déformation du renforcement de la fibre de verre montre une fracture linéaire, dépourvue d'une plate-forme de rendement pour les barres d'acier, résultant en un module élastique apparent (40-60 GPa) qui n'est que 1 / 3-2 / 5 de celui des barres d'acier.

Renforcement: Mécanisme de liaison métallique et de glissement de cristal

Essence de rigidité élevée: la nature non directionnelle des liaisons métalliques permet de répartir uniformément le système de glissement de cristal dans un espace tridimensionnel, entraînant une forte résistance au mouvement de dislocation et en apprenant des barres d'acier avec un module élastique élevé (200 GPa).

Réglementation de déformation plastique: Le stade de déformation plastique des barres d'acier libère la concentration de contrainte locale par réarrangement de dislocation, en maintenant la stabilité du module élastique.

3 、 La signification ingénieuse des différences de performance

Barres en acier renforcé en fibre de verre caractéristique

Résistance à la traction 500-900 MPa (avantage significatif) 400-750 MPa

Module élastique 40-60 GPA (1/3-2 / 5 Barres en acier) 200 GPA

Mode de défaillance Fracture fragile (pas d'avertissement) Panne ductile (avertissement)

Scénarios applicables: exigences élevées pour la résistance à la corrosion, le léger poids, la résistance à la fatigue, la déformation plastique et la résistance sismique

4 、 Conclusion

La résistance à la traction élevée de l'armature des fibres de verre est due à la structure de la liaison covalente et à la disposition optimisée des fibres de verre, tandis que le module élastique faible est limité par le module de la matrice de résine, une résistance à la liaison d'interface de la matrice de fibres insuffisante et une vifrité du matériau. Cette combinaison de caractéristiques lui donne des avantages uniques dans les scénarios de résistance à la corrosion, légers et de résistance à la fatigue, mais il s'appuie toujours sur le renforcement de l'acier dans les structures qui nécessitent une rigidité élevée ou une déformation plastique. À l'avenir, grâce à la technologie de traitement de la résine ou des fibres modifiée par nano, il devrait améliorer encore le module élastique du renforcement des fibres de verre et étendre sa plage d'applications.